运载火箭海上发射起竖系统后倒动力学仿真研究

韩彦青1，2，李兆犇2，刘江雪2，常志国2，巩庆涛1，3，孙忠玉1，3

（1. 山东省海上航天装备技术创新中心，山东 烟台 264025；2. 鲁东大学 水利土木学院，山东 烟台264025；3. 鲁东大学 蔚山船舶与海洋学院，山东 烟台 264025）

摘 要：因运载火箭海上发射存在起飞时火箭撞击起竖系统支撑架的可能，通常在发射前需要对起竖系统后倒一定角度让出火箭漂移空间，而海上发射船随风浪产生的摇荡运动将对起竖系统后倒过程产生不利影响。基于多体动力学原理建立海上发射起竖系统后倒动力仿真模型，以某型号发射船在不同海况等级、不同风浪方向下的非线性六自由度耦合运动为边界条件，研究其对起竖系统后倒过程中油缸出力、起竖架支座铰接力、支撑架典型截面内力变化的影响。研究结果表明：在风浪方向角度较大海况下整个后倒过程中，两油缸出力波动变化显著，同步性变差，且存在由推力转为拉力的情况；随海况等级、风浪方向角

度的增大，起竖架支座铰接力的波动变化随之增大；支撑架典型截面内力在不同海况、风浪方向下围绕其重力值上下波动变化，在风浪方向角度较大时侧向力增大显著。研究结果可为运载火箭海上发射起竖系统后倒的安全和稳定性提供一定参考。

关键词：多体动力学；动平台；耦合运动；起竖系统后倒；海上发射

海上风电结构逻辑化防撞的非线性动力学设计

聂宇昊1，方辉1，王洪庆2，任灏2，王金玺2

（1. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2. 广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663）

摘 要：海上风电场船撞事故频发，造成结构损坏乃至风场停产，经济损失巨大。为降低船撞事故的结构损伤，提出了新型全钢制准负刚度弹性防护装置，具有可依船体接触速度被动变化的逻辑化刚度特性。首先，建立了船舶碰撞单桩基础风机的有限元数值模型，计算结果表明与橡胶防护装置相比，新型防护装置的碰撞力和塔顶加速度分别降低56. 1%和32%；进一步建立了海上风电变截面结构-准负刚度装置耦合的两自由度非线性动力学模型，并对应发展了多尺度解析方法，有效描述了船舶碰撞过程非线性能量交换与耗散过程，解析计算结果和数值解相吻合，科学描述了风机结构安装新型防护装置后特有的“低速靠船高刚度-高速撞击低刚度”力学特性；形成了以解析模型进行关键参数的高效率设计、以有限元模型实施具体构件的精细设计的工程方法；以海上风电单桩基础结构为例，实施了逻辑化防撞的工程设计。

关键词：船舶碰撞；逻辑化防撞；准负刚度；非线性动力学；工程设计

液舱内气-液-固多相流晃荡运动数值模拟

卢莉莉1，朱仁庆1，方译彩2，夏志平1，窦朋1，纪仁玮1

（1. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212100；2. 中国石油管道局工程有限公司，河北 廊坊 065000）

摘 要：应用多相流理论，建立了液舱内气-液-固多相流晃荡运动计算模型。其中气-液两相流体作为连续相，采用欧拉方法描述其运动，应用流体体积（VOF）法捕捉气-液交界面即自由液面运动；固体颗粒处理为离散相，由拉格朗日法描述其运动。应用计算流体力学-离散元（CFD-DEM）耦合方法，数值计算两相流体和固体颗粒的相互耦合运动。以气-水-冰颗粒多相流为例，借助STAR-CCM+软件平台，计算分析了舱内冰颗粒对液舱晃荡特性的影响。首先通过模拟经典案例单个球颗粒从空气落到水中的过程，验证了CFD-DEM方法的有效性。其次，对纯水液舱晃荡进行了数值模拟并与公开试验结果比较，验证了气-液两相流体晃荡数值方法可行性。然后通过对不同体积分数下气-水-冰颗粒多相流晃荡引起的舱壁压强及自由液面运动幅值的比较分析，研究了气-液-固多相流的晃荡特性。计算结果表明，随着冰颗粒体积分数的增加，液面波动幅值随之减小，说明浮动颗粒对液舱晃荡有明显的抑制作用。

关键词：液舱晃荡；气-液-固多相流；VOF法；CFD-DEM耦合方法；数值模拟

基于概率方法的主动补偿栈桥工作能力分析

龚凡明1，苏焕婷2，徐林1，毛寿祺1，牛雅倩1

（1. 上海振华重工（集团） 股份有限公司 设计研究总院，上海 200175；2. 上海海事大学 物流工程学院，上海 201306）

摘 要：主动补偿栈桥作为海上风电运维的核心装备，主要用于减小复杂恶劣的海况对运维作业过程的干扰，保障作业人员的平稳通行和生命安全。工作能力分析是主动补偿栈桥设计阶段的重要工作，其主要目的是研究栈桥安装在运维船舶后在目标风场的作业能力。通过建立栈桥补偿运动的运动学方程，输入给定的海况参数，时域仿真主动补偿运动响应。基于目标风场的水文数据，拟合海况参数的概率分布，并考虑由海浪谱生成时域波浪的随机因素，以概率方法确定了栈桥的不可达率作为栈桥工作能力的评价指标。为计算不可达率，提出了一种基于子集模拟的不可达率计算方法，期望使用较少的样本，快速计算不可达率。通过多个案例分析，与蒙特卡洛模拟方法对比，验证了文中计算方法的准确性和快速性。同时，通过对比分析，确定了采用简化的工程方法计算栈桥工作能力时所需的极值估计参数的建议值，为3. 7倍的标准差。

关键词：主动补偿；栈桥；工作能力；不可达率；子集模拟

基于强化学习的锚泊辅助动力定位系统定位点选取方法

蒋旭，王磊，王一听

（上海交通大学 海洋工程全国重点实验室，上海 200240）

摘 要：海上作业中，适当的定位点可以显著降低锚泊辅助动力定位（PM）系统的能耗。为了找到能效最优的定位点，使得锚泊系统能够补偿主要的环境载荷而推进器只需抑制海洋结构物的摇荡运动，提出了一种基于模型的强化学习（RL）方法进行最优定位点的决策。该方法通过直接和间接学习更新Q 函数，并且通过支持向量回归来近似环境模型的奖励函数。仿真结果表明，该方法能够在未知和随机环境中通过持续的规划、执行和学习成功地确定最优定位点，且可以有效加快决策代理的学习速度。

关键词：锚泊辅助动力定位系统；定位点优化；强化学习；基于模型；导航控制

基于光学图像的水下锚链姿态识别方法研究

黄侃，刘积昊，林志良

（上海交通大学 海洋工程全国重点实验室，上海 200240）

摘 要：针对水下锚链姿态估计问题，提出了一种基于光学图像的姿态识别方法。该方法使用光学相机获取水下锚链的局部图像，通过图像处理方法提取锚链的外形特征，并且根据水下锚链的悬链线方程模型，由局部的光学图像推演出完整锚链的姿态信息。针对该方法，阐述了其基本原理与流程，设计完成了微缩比例水槽试验，通过动、静态锚链的姿态识别试验验证该方法的有效性。试验结果表明：静态锚链姿态识别试验时的锚链水平跨度误差不超过5%；水面处系泊点匀速运动情况下，动态锚链的运动状态识别与真实运动趋势基本一致，误差为2. 393%。研究成果证明了该水下锚链姿态识别方法的可靠性，为后续实际工程应用提供了理论基础支撑。

关键词：水下检测；水下锚链；悬链线方程；图像处理；试验研究

波流作用下海上风机大直径加翼单桩基础局部冲刷试验研究

李涛1，王顺意2，3，李彪2，3，漆文刚2，3

（1. 中船海装风电有限公司，重庆 401123；2. 中国科学院力学研究所 流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190；3. 中国科学院大学 工程科学学院，北京 100049）

摘 要：随着海上风机的大型化和风电场所在海域水深的增加，海上风机基础需要承受更大的水平荷载和弯矩荷载。加翼单桩能有效提升风机基础承载能力，但侧翼结构对桩基周围局部冲刷的影响目前尚不明确。在波流水槽中开展了大直径加翼单桩动床冲刷模型试验，研究纯流和波流共同作用下加翼单桩的冲刷特性。试验结果表明：加翼单桩周围局部冲刷特性受到来流强度、方向和类型的显著影响；当水流强度较小时，加翼单桩相较于传统的单桩基础具有较好的冲刷防护效果，防护效率最高可达20. 7%；当水流强度较大或波流叠加时，加翼单桩的防护效应可能消失，甚至产生更为严重的冲刷；冲刷坑范围受到加翼单桩与水流方向夹角的影响，加翼单桩最大的冲刷坑宽度能达到单桩的2倍以上。在实际工程中，为了充分发挥加翼单桩的承载能力，应充分考虑局部冲刷的影响；建议将侧翼安装在最大冲刷深度以下的桩身位置，从而达到较好的承载力增强效果。

关键词：加翼单桩；局部冲刷；冲刷防护；波流作用；海上风机；海上风电；风机基础

波流作用下淹没单桩与群桩基础周围海床冲刷试验研究

付亦鹏1，朱成浩2，孙元3，王仁刚1，李祺恒2，武闻禹2

（1. 青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266033；2. 中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；3. 城安工程技术集团有限公司，山东 青岛 266555）

摘 要：海底桩基础在海洋工程中被广泛应用，然而，对于淹没桩基础结构局部冲刷问题的研究较少。基于一系列实验室水槽试验，研究了在波浪和水流共同作用下淹没单桩和群桩基础周围的局部冲刷问题，分析了局部冲深历时特性、影响因素及冲刷坑形态特征。研究结果表明，对于单桩基础，床粗糙度Kd的增大削弱了波流工况的差异，当结构比Kh在1. 00～2. 33范围内时，相对时间尺度Tc逐渐增大，而当Kh>2. 33时，Tc开始减小。对于群桩基础，群桩的冲刷深度历时特性与单桩相似，但排列的群桩对桩基底部水流的紊动有抑制作用，并且在桩间距系数Ksp较小时形成整体冲刷坑，在Ksp较大时局部冲刷坑有逐渐分离的趋势；随着Kh和Ksp的增加，Tc增大，但Ksp的增加使Tc的增长速率减小。提出采用Kh、Kd、Ksp预测平衡冲刷深度的修正方程，可较准确地预测文中试验中波流作用下单桩与群桩基础的平衡冲刷深度。

关键词：波流作用；桩基础；冲刷坑形态；时间尺度；平衡冲刷深度

考虑结构柔性后大型船舶靠泊时深水全直桩码头动力响应敏感性分析

贺林林1，2，杜亦忠1，谢院仕1，梁越1

（1. 重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2. 重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074）

摘 要：深水全直桩码头的结构特点及动力响应与传统码头相比存在差异。为了研究船舶正常靠泊时全直桩码头结构的动力响应与结构特性，真实模拟船舶、橡胶护舷与码头结构之间的相互作用，首先基于Ansys／LS Dyna建立了大型船舶、橡胶护舷与码头结构整个系统相互作用的三维数值计算模型，并采用已有方法对计算模型进行了验证。然后，开展了深水全直桩码头结构在船舶正常靠泊时的动力响应特性研究，系统分析了不同桩径、不同护舷刚度、不同桩长影响下码头结构的加速度时程响应、位移时程响应及内能时程响应。研究发现：深水全直桩码头结构产生的弹性变形能够吸收相当一部分撞击能量，最多可达39%；桩径越大，结构横向刚度越大，局部振动越显著，吸收能量越少；橡胶护舷的刚度越大，能量传递速率越快，护舷吸收能量越少；桩长越长，结构横向刚度越小，整体振动越显著，结构吸收能量越多。

关键词：深水全直桩码头；船舶撞击；橡胶护舷；船舶靠泊；撞击能量

高桩码头区域波流耦合泥沙冲淤模拟及动力特性分析

——以宁波穿山港为例

李立杰，张一鸣，李薇，胡鹏

（浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021）

摘 要：建立了水沙床全耦合的波流耦合数学模型，以探究近海码头区域波流共同作用下动力地貌演变。根据码头区域和码头附近海域实测数据对模型进行了潮位、流速和淤积速率/含沙量验证，验证结果较吻合。分析了码头区域的水动力和泥沙输移特性，揭示了常态条件下码头的群桩阻流特性及后方回淤机理，探究了极端条件下码头的冲淤演变规律。模拟结果表明：码头区域潮汐动力作用显著，在常态天气下是码头冲淤的主要控制因素，冲刷主要发生于涨潮期，淤积主要受落潮期控制；台风天气下，强波流相互作用可能导致码头区域短期内剧烈冲淤，台风期间，码头下方强烈冲刷，后方轻微冲刷，台风后，码头逐渐回淤；码头群桩显著影响码头区域的水沙动力及地形冲淤过程，群桩阻力降低潮流动力强度，码头区域淤积增强。

关键词：地形冲淤；波流耦合；泥沙输移；数值模拟；群桩阻流特性

卷积神经网络在涌潮冲击桩柱体水动力特性上的应用研究

王旭1，2，屈科1，2，3，杨元平4，高榕泽1，门佳1

（1. 长沙理工大学 水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114；2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114；3. 洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114； 4. 浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310017）

摘 要：涌潮作为一种特殊的强非线性间断流，携带着巨大的能量。在涌潮区域，桥墩等桩柱式建筑物受到的涌潮冲击作用力巨大，可能对涉水结构造成严重破坏。因此，迅速预测和评估涌潮对桩柱体的冲击作用是预防涌潮破坏工作中的关键部分，对海洋工程建设和人民生命财产安全至关重要。以一维卷积神经网络（CONV1D）为基础，搭建涌潮对桩柱体冲击过程水动力特性演变的预测模型。同时利用开源CFD软件OpenFOAM和Wave2Foam库，建立涌潮数值水槽，通过数值计算得到涌潮对桩柱体冲击的水动力特性数据集。以多测点的水位时间序列为输入样本，完成涌潮对桩柱体冲击载荷的预测和评估。结果表明：该预测模型得到的涌潮对桩柱体的冲击载荷和数值计算结果基本吻合。在最大的误差平方和情况下，模型评估涌潮对桩柱体冲击作用的最大载荷误差平均值为3. 69%，最大荷载到达时间误差平均值仅为2. 11%；且只需要较少的计算资源便可获得较高的计算效率，能提前准确获取桩柱体所受载荷信息。通过卷积神经网络预测，可以评估灾害发生的可能性，提前采取防御措施，减少灾害造成的损失。

关键词：涌潮；卷积神经网络；载荷预测；桩柱体；冲击载荷

珠江口及其近海陆架对台风“暹芭”的响应

池典赐1，崔永生1，张光2，3，徐天平2，3，龚文平2，3

（1. 广东省海洋发展规划研究中心， 广东 广州 510060； 2. 中山大学 海洋科学学院， 广东 珠海 519082；3. 广东省海洋资源与近海工程重点实验室，广东 珠海 519082）

摘 要：台风是一种典型的极端天气过程，往往引发风暴潮、巨浪和强降水，对河口与近海陆架水动力及泥沙输运产生重要影响。以2022年台风“暹芭”为例，采用波-流-泥沙耦合的COAWST（coupled ocean-atmosphere-waves-sediment transport）模型系统，模拟了台风登陆前后珠江口及其近海陆架的动力过程。通过将台风期间与常况下的珠江口及其近海陆架的水动力与泥沙输运过程进行对比，量化了台风对珠江口及近海陆架的温盐、海流、波浪、悬沙浓度以及海底冲淤的影响。结果表明，台风“暹芭”期间近海的波浪作用显著增强，加强了水体的混合，使得底切应力增大，进而增强了河口湾与近海海底泥沙再悬浮。大幅增高的悬沙浓度和海流的增强引发了较强的泥沙输运和辐聚辐散，导致海底地形发生剧烈的冲淤变化。研究旨在加深对极端事件如何影响河口和近海陆架的水动力和泥沙输运过程的理解。

关键词：台风；泥沙输运；海底冲淤；COAWST模拟系统；珠江口

基于自航性能的渔船船型优化研究

葛俊宇1，李广年1，张起敏2，郭海鹏1

（1. 宁波大学 海运学院，浙江 宁波 315832；2. 日本船级社（中国） 有限公司 舟山分公司，浙江 舟山 316000）

摘 要：中国作为最大的渔业捕捞国，渔船保有量大，但老旧渔船占比较高，存在性能优化程度不足等问题，因此开展渔船船型的优化研究具有较大的市场和现实意义。基于SBD（simulation based design）技术搭建了船舶水动力性能优化平台。以某渔船为研究对象，借助多种几何重构方法实现全船及尾部区域的半参数化变形，采用体积力法作为自航性能的评估手段，结合Sobol算法和切线搜索法的组合优化策略，开展了基于自航性能的渔船船型优化设计。结果表明，相较于母型船，优化船的自航性能指标改善了6. 5%，总阻力减小了2. 59%，收到功率减小了0. 47%，证明了该优化方法的有效性。

关键词：渔船；型线优化；自航性能；数值模拟

浪流作用下多船并排锚泊运动量和锚泊力研究

孙一艳1，熊玉章1，李醒1，于德双1，王刚1，刘昌凤2

（1. 中国水产科学研究院 渔业工程研究所，北京 100141；2. 大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023）

摘 要：采用物理模型试验方法，对波浪和水流单独和联合作用下，小尺度渔船单船艏艉锚泊和多船并排艏艉锚泊时各船的运动量和锚泊力进行研究，重点分析了90°横浪横流和0°顺浪顺流两个方向锚泊时流对各船运动量和锚泊力的影响程度。研究结果表明，90°浪流作用时单船的横摇角度同纯浪作用时相比减少30%~60%，多船时各船横摇角度减少10%~70%；当波浪入射周期接近单船横摇周期时，浪流作用下单船的锚泊力约为纯浪作用结果的1. 11倍，且随着波浪入射周期的继续增大，流的影响明显增大。0°浪流作用时，并排锚泊渔船各船的纵摇角度同纯浪作用相比减少20%~40%，而各船锚泊力则为纯浪作用结果的1. 6~10. 0倍，但仍小于90°浪流作用时的对应值。因此，当港内存在浪流同向作用时，建议尽量以0°方向并排锚泊渔船；如果确需90°方向锚泊时，应加强迎浪侧和背浪侧渔船的缆绳强度并关注背浪侧渔船的运动量情况。

关键词：多船并排锚泊；物理模型试验；浪流单独和联合作用；运动量；锚泊力

“海斗一号”全海深ARV收放装置设计与优化

陈聪1，2，3，唐元贵1，2，3，陆洋1，2，3，孙天俊1，2，3，何震1，2，3

（1. 中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室，辽宁 沈阳 110016；2. 中国科学院 机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳 110169；3. 辽宁省水下机器人重点实验室，辽宁 沈阳 110169）

摘 要：面对深渊等极端海洋环境下的科考需求，自主遥控水下机器人（autonomous and remotely-operated vehicle，简称ARV）凭借其探测范围大和能局部采样作业的综合能力和特点，在深海领域发挥着越来越重要的作用。文章以中国首台具备探测与作业能力的全海深自主遥控水下机器人——“海斗一号”为研究对象。“海斗一号”在探测作业时，通过光纤微缆与母船保持实时通信，其特有的光纤压坠器装置对光纤链路的稳定性起到至关重要的作用。基于此，设计了一套“海斗一号”专用的布放回收装置，并探索形成了一套有效的布放回收方法，实现了“海斗一号”与光纤压坠器的安全布放与回收；针对布放回收过程中“海斗一号”的起吊架需应对不同起吊工况的需求，基于“海斗一号”轻量化的设计要求，提出采用多工况拓扑优化设计方法开展起吊架构型设计，对最终设计构型在2种工况下分别进行了有限元数值仿真，进一步完成了压载试验和海试应用验证。结果表明，文中所述“海斗一号”收放装置设计及优化方法切实有效，满足“海斗一号”开展深渊科考时的需求，为ARV布放回收及其装置优化设计提供了工程经验和理论指导。

关键词：自主遥控水下机器人（ARV）；布放回收；起吊架；拓扑优化

外压影响下含凹陷深海管道局部屈曲和压缩应变承载力研究

贾鲁生1，2，侯富恒1，张琦1，陈严飞1，钟榕锋1，高志浩1

（1. 中国石油大学（北京） 油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249；2. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

摘 要：凹陷是海底管道常见的缺陷形式，海床位移与高静水压力易引起管道局部屈曲失效，因此，明确外压与位移作用下含凹陷管道局部屈曲失效机理和压缩应变承载力尤为重要。建立含凹陷深海管道有限元数值模型，研究了弯矩作用下含凹陷深海管道的局部屈曲失效机理，计算了压缩应变承载力，分析了外压和凹陷深度对管道失效模式和管道压缩应变承载力的影响规律。结果表明，凹陷的深度与外压的不同会导致管道的局部屈曲失效模式不同，总体来说，管道的压缩应变承载力随着外压的增大而减小。当外压大于0. 1时，凹陷越深管道的压缩应变承载力越大，当外压小于0. 1时则相反。最后提出含凹陷海底管道压缩应变承载力的预测方法，为海底管道的完整性评价提供了一定参考。

关键词：深海管道；凹陷；压缩应变承载力；局部屈曲；位移控制

基于深度学习的活塞式造波机传递函数获取

魏唯嘉1，赵西增1，2，谢玉林1，邓龙赐1，许诺1

（1. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021；2. 浙江大学 舟山海洋研究中心，浙江 舟山 316021）

摘 要：活塞式造波机广泛应用于波浪水槽中，但由于造波边界的复杂性，其造波传递函数的推导较为困难。基于深度学习技术，提出一种可适用于任意形状活塞式造波机的传递函数获取方法。通过收集造波过程中的流场数据训练神经网络，建立造波机运动速度与造波过程流场变量之间的映射关系，从而拟合出该造波机的传递函数，通过引入流体质量守恒约束项，提高神经网络的物理可解释性；并通过基于OpenFOAM的数值波浪水槽与自主搭建的物理波浪水槽，开展规则波、孤立波与畸形波的造波模拟，验证该传递函数的有效性。结果表明，深度学习能够降低活塞式造波机的传递函数推导难度，并使造波机能实现不同类型波浪的水槽造波。

关键词：造波机；活塞式；深度学习；传递函数；物理约束

基于OpenFOAM求解器的内部造流系统开发

朱植阳1，彭忠1，2，李徜徉1，邓争志3

（1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200241；2. 华东师范大学 崇明生态研究院，上海 200241；3. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021）

摘 要：采用开源计算流体力学软件包OpenFOAM，通过质量源造流方程的推导、源区参数设计以及数值水槽边界条件的改进，成功开发了一种基于质量源法的域内源造流数值水槽sklec-Foam。该模型被用于探讨恒定流和非恒定流的生成效果，并与理论值以及olaFlow模型的边界造流法进行了比较。结果表明，基于质量源法的数值水槽模型在造流的精度和稳定性方面表现出色。这一模型为海岸水动力-结构物相互作用研究以及潮滩的保护和服务功能提升提供了科学支撑。

关键词：OpenFOAM；内部造流系统；质量源；恒定流；非恒定流；数值水槽